EP1331685B1 - Verfahren zur Herstellung eines leitfähigen Formteils - Google Patents

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EP1331685B1
EP1331685B1 EP03000242A EP03000242A EP1331685B1 EP 1331685 B1 EP1331685 B1 EP 1331685B1 EP 03000242 A EP03000242 A EP 03000242A EP 03000242 A EP03000242 A EP 03000242A EP 1331685 B1 EP1331685 B1 EP 1331685B1
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EP
European Patent Office
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moulding
filler particles
polymer
mixture
plasticised
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EP1331685A3 (de
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Peter Prof. Eyerer
Peter Dr. Elsner
Michael Dr. Krausa
Axel Dipl. -Ing. Kauffmann
Rudolf Dr. Emmerich
Michael Dipl.-Ing. Walch
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a conductive molded part, in particular a bipolar plate for fuel cells, from particulate fillers of a conductive material dispersed in a polymer matrix.
  • Such moldings are known and find particular use as bipolar plates for fuel cells, which serve to generate electrical energy by direct conversion of chemical energy from oxidation processes.
  • the fuel cells consist of a plurality of individual cells connected in series, each consisting of two chambers separated by a membrane permeable to the fuel, each having one electrode, the electrodes being conductively connected via an electrolyte, for example in the form of a polymer electrolyte membrane.
  • the best known are hydrogen and methanol fuel cells.
  • the two chambers, the substance to be oxidized or the fuel and an oxidizing agent in the liquid or gaseous phase are continuously supplied.
  • the bipolar plates are used for electrical connection of the individual cells with each other for transmission or dissipation of the generated electric current and optionally for the supply of reaction gases and Removal of the reaction products, which is usually due to a corresponding surface structure of the bipolar plates happens.
  • the bipolar plates consist for example of optionally coated metallic materials or carbon ( US 5,798,188 A . WO 97/50138 A1 . WO 97/50139 A1 ).
  • a particular disadvantage is the high density and the associated considerable weight of such bipolar plates. When used in fuel cells, which require high corrosion resistance and gas tightness, stainless steel alloys or pressed graphite must be used. This is material and production-consuming.
  • bipolar plates of particulate fillers of conductive materials, such as metals or carbon, dispersed in a polymer matrix are known (US Pat. US 4,197,178 A . US 4,643,956 A . US Pat. No. 5,942,347 . DE 31 35 430 C2 . DE 42 34 688 C2 . DE 198 36 267 A1 . DE 198 23 880 A1 . WO 00/30202 A1 ). These panels are advantageous because of their significantly lower weight and cost reasons.
  • the plates have either a thermoplastic or a thermosetting polymer matrix.
  • the preparation is effected by dispersing the filler particles into the plasticized polymer and then shaping them by means of known thermoplastic processing methods, such as extrusion, injection molding or pressing.
  • thermoplastic processing methods such as extrusion, injection molding or pressing.
  • the particulate fillers are dispersed in liquid synthetic resins and the mixture is cured in a mold.
  • the electrical conductivity of bipolar plates of the aforementioned type can be influenced solely by the degree of filling. It is the greater, the higher the degree of filling is chosen. Conversely, however, the mechanical material properties, in particular the strength of the plate worsen significantly with increasing degree of filling.
  • the EP 0 935 303 A1 describes a separator for fuel cells, which is formed by a compact of a polymer component with conductive carbon powder.
  • a heat treatment at sufficiently high temperatures to at least partially carbonize the polymer component, in particular to provide for increased conductivity thereof.
  • the invention has the object of developing a method of the type mentioned in such a way that the conductivity of the resulting molded article is increased from dispersed in a polymer matrix, conductive fillers at a constant filler content.
  • This object is achieved in a method of the type mentioned fact that the molding under at least partially pyrolysis of the polymer matrix between at least some filler particles irradiated with high-frequency electromagnetic radiation and / or applied with an electrical voltage, wherein fibrous filler particles used and in liquid or dissolved mono-, di- and / or oligomers or in plasticized thermoplastic and / or thermoelastic polymers are aligned with their longitudinal axis substantially in the direction of the preferred conductivity of the molding in order to give the molding a selectively increased conductivity in this direction.
  • the electrical conductivity of the molded part is significantly increased even at relatively low degree by the insulating polymer matrix is at least partially pyrolyzed between at least some conductive filler particles, for example, by generating arcs between the particles due to the applied electrical voltage or the acting electromagnetic radiation can happen.
  • the particles are heated as a result of radiation absorption, which in turn leads to the pyrolysis of the polymer of the molded part in regions.
  • the resulting carbon due to oxygen exclusion or soot ensures the formation of a conductive connection between at least some filler particles, whereby the electrical resistance is reduced and the electrical conductivity of the molded part is increased.
  • the strength of the molded part is virtually unaffected by only local pyrolysis of the polymer matrix, so that a cost-effective production of highly conductive moldings, such as bipolar plates for fuel cells, with relatively low degree of filling is possible.
  • fibrous filler particles when mixing the filler particles into liquid or dissolved mono-, di- and / or oligomers or in plasticized thermoplastic and / or thermoelastic polymers, it is possible to move the particles with their longitudinal axis essentially in the direction of preferred Align conductivity of the molding to give the molded part in this direction selectively increased conductivity, as explained in more detail below.
  • the radiation frequency is preferably set between 300 MHz and 300 GHz (microwave radiation).
  • an electrical voltage is applied to the molded part, it is preferably selected such that a current intensity between 1 A and 100 A, in particular between 5 A and 30 A, is established.
  • the molded part is placed under the action of high-frequency electromagnetic radiation and / or electrical voltage under pressure, in particular in the case of a thermoplastic and / or thermoelastic polymer matrix in the melting of the polymer between the filler particles due to the irradiation or the electrical field voltage to bring at least some filler particles in conductive contact with each other.
  • the method according to the invention also makes it possible to selectively increase the conductivity of the molded part in a desired spatial direction, which is of particular interest in bipolar plates, which should be highly conductive in the direction of the surface normal of the plate, around the single cells of Conductive fuel cell to connect.
  • the high-frequency electromagnetic radiation and / or the electrical voltage corresponding to the direction of the preferred conductivity of the molded part, in particular surface normal to the plate is aligned.
  • the molded part can also be exposed to radiation and / or voltage in a plurality of spatial directions, for example in a radiation and / or voltage field with substantially parallel field lines, so that an overall (direction-independent) increase in conductivity results.
  • the particulate fillers are suitably selected from the group of metals, metal alloys, metal oxides, carbon, in particular graphite and / or carbon black.
  • the method according to the invention is suitable both for the production of molded parts with a thermoplastic and / or thermoelastic polymer matrix and those with a thermosetting or elastomeric polymer matrix.
  • a preferred embodiment provides that the filler particles are dispersed in at least one liquid or dissolved mono-, di- and / or oligomer and the mixture thus obtained is cured in a mold to form the molding.
  • the filler particles are dispersed in at least one liquid or dissolved mono-, di- and / or oligomer and the mixture thus obtained is cured in a mold to form the molding.
  • moldings with uncrosslinked (thermoplastic) and partially crosslinked (thermoelastic or elastic) or highly crosslinked (thermoset) polymer matrix can thus be produced. It is also possible to add solid polymer particles to the liquid starting mixture in order to avoid the shrinkage that may occur during curing.
  • the filler particles in at least one plasticized thermoplastic and / or thermoelastic polymer and the mixture thus obtained is molded and cooled to form the molded article.
  • the molding can be done by any known thermoplastic processing methods such as extrusion, injection molding, pressing, kneading or the like.
  • the fibrous filler particles according to the preferred conductivity direction is provided in a preferred embodiment that fibrous, ferromagnetic filler particles used and in the still liquid or plasticized mixture by applying a magnetic field according to the direction of the preferred conductivity of the molding, in particular surface normal to the plate to be aligned.
  • the fibrous filler particles can also be aligned by introducing shear forces corresponding to the direction of the preferred conductivity of the molding, in particular surface normal to the plate, which can be done for example by appropriate task of the fibers in the liquid polymer by means of suitable extrusion or injection molding.
  • thermoplastic and / or thermoelastic polymers When using thermoplastic and / or thermoelastic polymers is provided in a further development of the method that the filler particles are dispersed in a first plasticized thermoplastic and / or thermoelastic polymer, the first mixture thus obtained with a second plasticized thermoplastic and / or thermoelastic polymer, which with the the first polymer is not or only partially miscible, is mixed and the final mixture finally formed is molded and cooled to form the molding.
  • thermoplastic and / or thermoelastic polymer in a second plasticized thermoplastic and / or thermoelastic Polymer, which is not or only partially miscible with the first polymer is mixed, in the thus obtained first mixture, the filler particles are dispersed and the final mixture finally obtained is formed and cooled to form the molding.
  • the droplet shape and size of the disperse phase may be e.g. by the application of shear forces, ultrasound and / or by the addition of surfactants, such as detergents, emulsifiers, release agents or the like, during processing.
  • a substantially elongated or oval fibril form of the disperse phase can be generated, which ensures an approximately parallel alignment of the longitudinal axis of the fibrils for increased conductivity of the molded part in the longitudinal direction of the fibrils.
  • a conductive molding produced by the process according to the invention in particular in the form of a bipolar plate for fuel cells, has fibrous filler particles dispersed in a polymer matrix of a conductive material, the polymer matrix of the molding being pyrolyzed at least in regions between at least some filler particles.
  • the fibrous filler particles are provided substantially in the direction of the preferred conductivity of the molded part, in particular aligned substantially normal to the plate to give the molded part in this direction selectively increased conductivity.
  • Such a molded article is characterized by an increased compared to conventional generic moldings electrical conductivity, which is ensured by the carbon or carbon black containing, pyrolyzed areas of the polymer matrix between at least some filler particles and the resulting conductive connection between them.
  • the polymer matrix is pyrolyzed primarily between in the direction of the preferred conductivity of the molded part, in particular substantially normal to the plate, successively arranged filler particles.
  • the molding preferably contains particulate fillers selected from the group of metals, metal alloys, metal oxides, carbon, in particular carbon black and / or graphite.
  • the polymer matrix of the molding may be made of a thermoplastic and / or thermoelastic polymer or a blend of such polymers, e.g. from polyolefins (polyethylene, polypropylene, etc.), polyamides, polyesters, polyethers, etc., or from a thermosetting and / or elastic polymer, or from a blend of such polymers, e.g. polyurethane, epoxy, melamine resins or the like.
  • a bipolar plate for fuel cells fibrous metal particles are dispersed in a liquid diisocyanate, a liquid dialcohol is added and the liquid mixture is transferred into a mold.
  • a magnetic field passing through the mold cavity is applied to the molded part, which can be done by means of an electric or permanent magnet integrated in the mold. In this way, the fibers are aligned in the direction of the field lines of the magnetic field substantially parallel to each other to form guide paths.
  • the mixture is then cured to a polyurethane to form the plate.
  • the fibrous filler particles can also be aligned by the introduction of shear forces corresponding to the direction of the preferred conductivity of the molding, in particular to the surface normal to the board.
  • the plate is irradiated with microwaves having a frequency of about 100 GHz and a power between 0.2 and 2 kW in order to increase the conductivity, wherein the radiation direction is set substantially normal to the plate.
  • the polymer is pyrolyzed between at least some filler particles by microwave absorption to form carbon, so that a conductive connection between these particles occurs and the conductivity of the bipolar plate in the radiation direction is significantly increased overall.
  • the mold with the Plate can be arranged in a microwave field. The irradiation may take place during or after the shaping of the plate.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines leitfähigen Formteils, insbesondere einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen, aus in eine Polymermatrix eindispergierten partikelförmigen Füllstoffen aus einem leitfähigen Material.
  • Derartige Formteile sind bekannt und finden insbesondere als Bipolarplatten für Brennstoffzellen Verwendung, welche zur Erzeugung elektrischer Energie durch Direktumwandlung chemischer Energie aus Oxidationsprozessen dienen. Die Brennstoffzellen bestehen in der Regel aus mehreren, hintereinander geschalteten Einzelzellen aus je zwei durch eine für den Brennstoff permeable Membran getrennten Kammern mit jeweils einer Elektrode, wobei die Elektroden über einen Elektrolyt, z.B. in Form einer Polymerelektrolytmembran, leitend in Verbindung stehen. Am bekanntesten sind Wasserstoff- und Methanol-Brennstoffzellen. Den beiden Kammern werden die zu oxidierende Substanz bzw. der Brennstoff und ein Oxidationsmittel in flüssiger oder gasförmiger Phase kontinuierlich zugeführt.
  • Bei der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle werden als Brennstoff Methanol und als Oxidationsmittel Sauerstoff verwendet, wobei an der Anode Methanol zu Kohlendioxid oxidiert (Gleichung I) und an der Kathode Sauerstoff zu Wasser reduziert wird (Gleichung II).

            CH3OH + 7 H2O ---> CO2 + 6 H3O+ + 6 e-     (I)

            3/2 O2 + 6 H3O+ + 6 e- ---> 9 H2O     (II)

  • Hieraus resultiert als Gesamtreaktion:

            CH3OH + 3/2 O2 ---> CO2 + 2 H2O     (III)

  • Bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle wird als Brennstoff anstelle von Methanol Wasserstoff eingesetzt, wobei an der Anode Wasserstoff zu Protonen oxidiert (Gleichung IV) und an der Kathode Sauerstoff zu Wasser reduziert wird (Gleichung V).

            H2 + 2 H2O ---> 2 H3O+ + 2 e-     (IV)

            1/2 O2 + 2 H3O+ + 2 e- ---> 3 H2O     (V)

  • Hieraus resultiert als Gesamtreaktion:

            H2 + 1/2 O2 ---> H2O     (VI)

  • Während die Polymerelektrolytmembran für die Aufrechterhaltung eines Stromflusses innerhalb der Einzelzellen durch Transport der Protonen bzw. H3O+-Ionen sorgt, dienen die Bipolarplatten zur elektrischen Verbindung der Einzelzellen untereinander zur Übertragung bzw. Ableitung des erzeugten elektrischen Stroms sowie gegebenenfalls zur Zufuhr der Reaktionsgase und Abfuhr der Reaktionsprodukte, was zumeist durch eine entsprechende Oberflächenstruktur der Bipolarplatten geschieht. Die Bipolarplatten bestehen z.B. aus gegebenenfalls beschichteten metallischen Werkstoffen oder Kohlenstoff ( US 5 798 188 A , WO 97/50138 A1 , WO 97/50139 A1 ). Nachteilig ist insbesondere die hohe Dichte und das damit verbundene erhebliche Gewicht solcher Bipolarplatten. Beim Einsatz in Brennstoffzellen, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Gasdichtheit voraussetzen, müssen Edelstahllegierungen oder gepreßter Graphit eingesetzt werden. Dies ist material- und fertigungsaufwendig.
  • Ferner sind Bipolarplatten aus in einer Polymermatrix dispergierten partikelförmigen Füllstoffen aus leitfähigen Materialien, wie Metallen oder Kohlenstoff, bekannt ( US 4 197 178 A , US 4 643 956 A , US 5 942 347 A , DE 31 35 430 C2 , DE 42 34 688 C2 , DE 198 36 267 A1 , DE 198 23 880 A1 , WO 00/30202 A1 ). Diese Platten sind aufgrund ihres erheblich geringeren Gewichtes sowie aus Kostengründen vorteilhaft. Die Platten weisen entweder eine thermoplastische oder eine duroplastische Polymermatrix auf. Im erstgenannten Fall geschieht die Herstellung durch Eindispergieren der Füllstoffpartikel in das plastifizierte Polymer und anschließende Formgebung mittels bekannter thermoplastischer Verarbeitungsverfahren, wie Extrudieren, Spritzgießen oder Pressen. Im Falle einer duroplastischen Polymermatrix werden die partikelförmigen Füllstoffe in flüssige Kunstharze eindispergiert und die Mischung in einem Formwerkzeug ausgehärtet.
  • Die elektrische Leitfähigkeit von Bipolarplatten der vorgenannten Art läßt sich ausschließlich durch den Füllgrad beeinflussen. Sie ist um so größer ist, je höher der Füllgrad gewählt wird. Umgekehrt verschlechtern sich jedoch die mechanischen Werkstoffeigenschaften, insbesondere die Festigkeit der Platte mit zunehmendem Füllgrad signifikant.
  • Die EP 0 935 303 A1 beschreibt einen Separator für Brennstoffzellen, welcher von einem Preßling aus einer Polymerkomponente mit leitfähigem Kohlenstoffpulver gebildet ist. Zur Herstellung des Separators ist unter anderem vorgesehen, daß der Preßling nach dem Formvorgang einer Wärmebehandlung bei hinreichend hohen Temperaturen unterzogen wird, um die Polymerkomponente zumindest teilweise zu carbonisieren, um insbesondere für eine erhöhte Leitfähigkeit derselben zu sorgen.
  • Aus der US 5 945 029 A1 ist es bekannt, zur Herstellung von keramischen Filamenten auf der Basis von PbMeO3 (mit "Me": Metall) ein Sol von metallorganischen Verbindungen zu extrudieren, die derart erzeugten Fasern zu trocknen und aufzuwickeln und sodann in einem Pyrolyseofen einzuleiten, um die organischen Materialanteile zu entfernen. Der Pyrolyseofen kann beispielsweise induktiv, widerstands- oder mikrowellenbeheizt sein. Eine Erzeugung von leitfähigen Formteilen unter Einsatz von leitfähigen Füllstoffen ist nicht vorgesehen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Leitfähigkeit des erhaltenen Formteils aus in eine Polymermatrix eindispergierten, leitfähigen Füllstoffen bei gleichbleibendem Füllstoffanteil erhöht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Formteil unter zumindest bereichsweiser Pyrolyse der Polymermatrix zwischen zumindest einigen Füllstoffpartikeln mit hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung bestrahlt und/oder mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, wobei faserförmige Füllstoffpartikel eingesetzt und in flüssigen oder gelösten Mono-, Di- und/oder Oligomeren oder in plastifizierten thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymeren mit ihrer Längsachse im wesentlichen in Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils ausgerichtet werden, um dem Formteil eine in dieser Richtung selektiv erhöhte Leitfähigkeit zu verleihen.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die elektrische Leitfähigkeit des Formteils selbst bei verhältnismäßig geringem Füllgrad signifikant erhöht, indem die isolierende Polymermatrix zwischen zumindest einigen leitfähigen Füllstoffpartikeln zumindest bereichsweise pyrolysiert wird, was z.B. durch Erzeugung von Lichtbögen zwischen den Partikeln infolge der einwirkenden elektrischen Spannung bzw. der einwirkenden elektromagnetischen Strahlung geschehen kann. Im Falle der Einsatzes von Strahlung kommt es je nach Material der Partikel ferner zur Erhitzung der Partikel infolge Strahlungsabsorption, was wiederum zur bereichsweisen Pyrolyse des Polymers des Formteils führt. Der hierbei aufgrund Sauerstoffausschluß entstehende Kohlenstoff bzw. Ruß sorgt für das Zustandekommen einer leitfähigen Verbindung zwischen zumindest einigen Füllstoffpartikeln, wodurch der elektrische Widerstand vermindert und die elektrische Leitfähigkeit des Formteils erhöht wird. Überraschenderweise wurde gefunden, daß die Festigkeit des Formteils durch eine nur lokale Pyrolyse der Polymermatrix praktisch nicht beeinträchtigt wird, so daß eine kostengünstige Herstellung hochleitfähiger Formteile, wie Bipolarplatten für Brennstoffzellen, mit verhältnismäßig geringem Füllgrad möglich ist. Darüber hinaus besteht aufgrund des.Einsatzes von faserförmigen Füllstoffpartikeln beim Einmischen der Füllstoffpartikel in flüssige oder gelöste Mono-, Di- und/oder Oligomere bzw. in plastifizierte thermoplastische und/oder thermoelastische Polymere die Möglichkeit, die Partikel mit ihrer Längsachse im wesentlichen in Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils auszurichten, um dem Formteil eine in dieser Richtung selektiv erhöhte Leitfähigkeit zu verleihen, wie es weiter unten noch näher erläutert ist.
  • Im Falle des Einsatzes hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung wird die Strahlungsfrequenz vorzugsweise zwischen 300 MHz und 300 GHz (Mikrowellenstrahlung) eingestellt. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an das Formteil wird diese bevorzugt derart gewählt, daß sich eine Stromstärke zwischen 1 A und 100 A, insbesondere zwischen 5 A und 30 A einstellt.
  • In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, daß das Formteil während der Einwirkung der hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung und/oder der elektrischen Spannung unter Druck gesetzt wird, um insbesondere im Falle einer thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymermatrix beim Aufschmelzen des Polymers zwischen den Füllstoffpartikeln infolge der Bestrahlung bzw. des elektrischen Spannungsfeldes zumindest einige Füllstoffpartikel miteinander in leitenden Kontakt zu bringen.
  • Wie bereits erwähnt, gibt das erfindungsgemäße Verfahren auch die Möglichkeit, die Leitfähigkeit des Formteils in einer gewünschten Raumrichtung selektiv zu erhöhen, was insbesondere bei Bipolarplatten von Interesse ist, welche in Richtung der Flächennormalen der Platte gut leitfähig sein sollten, um die hintereinander angeordneten Einzelzellen von Brennstoffzellen leitfähig zu verbinden. Hierzu ist vorgesehen, daß die hochfrequente elektromagnetische Strahlung und/oder die elektrische Spannung entsprechend der Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils, insbesondere flächennormal zur Platte, ausgerichtet wird. Auf diese Weise werden vornehmlich die in Strahlungs- bzw. Spannungsrichtung hintereinander angeordneten Füllstoffpartikel durch Pyrolyse der Polymermatrix des Formteils leitfähig miteinander verbunden, so daß das Formteil zumindest teilweise durchsetzende Leitpfade gebildet werden. Selbstverständlich kann das Formteil auch in mehreren Raumrichtungen mit Strahlung und/oder Spannung beaufschlagt, z.B. in einem Strahlungs- und/oder Spannungsfeld mit im wesentlichen parallelen Feldlinien gedreht werden, so daß sich eine insoweit allgemeine (richtungsunabhängige) Erhöhung der Leitfähigkeit ergibt.
  • Die partikelförmigen Füllstoffe werden zweckmäßig aus der Gruppe Metalle, Metallegierungen, Metalloxide, Kohlenstoff, insbesondere Graphit und/oder Ruß, gewählt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl zur Herstellung von Formteilen mit einer thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymermatrix als auch solcher mit einer duroplastischen oder elastomeren Polymermatrix geeignet. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht dabei vor, daß die Füllstoffpartikel in wenigstens ein flüssiges oder gelöstes Mono-, Di- und/oder Oligomer eindispergiert werden und die derart erhaltene Mischung in einem Formwerkzeug unter Bildung des Formteils ausgehärtet wird. Je nach Art der eingesetzten Mono-, Di- und/oder Oligomere können somit Formteile mit unvernetzter (thermoplastischer) sowie teilweise vernetzter (thermoelastischer oder elastischer) oder hochvernetzter (duroplastischer) Polymermatrix hergestellt werden. Ferner besteht die Möglichkeit, feste Polymerpartikel der flüssigen Ausgangsmischung zuzugeben, um den bei der Aushärtung gegebenenfalls auftretenden Schwund zu vermeiden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Füllstoffpartikel in wenigstens ein plastifiziertes thermoplastisches und/oder thermoelastisches Polymer eindispergiert werden und die derart erhaltene Mischung geformt und unter Bildung des Formteils abgekühlt wird. Die Formgebung kann durch beliebige bekannte thermoplastische Verarbeitungsverfahren, wie Extrudieren, Spritzgießen, Pressen, Kneten oder dergleichen, geschehen.
  • Im Hinblick auf die erfindungsgemäße Ausrichtung der faserförmigen Füllstoffpartikel gemäß der bevorzugten Leitfähigkeitsrichtung ist in bevorzugter Ausführung vorgesehen, daß faserförmige, ferromagnetische Füllstoffpartikel eingesetzt und in der noch flüssigen oder plastifizierten Mischung durch Anlegen eines Magnetfeldes entsprechend der Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils, insbesondere flächennormal zur Platte, ausgerichtet werden. Stattdessen können die faserförmigen Füllstoffpartikel auch durch Eintrag von Scherkräften entsprechend der Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils, insbesondere flächennormal zur Platte, ausgerichtet werden, was beispielsweise durch entsprechende Aufgabe der Fasern in das flüssige Polymer mittels geeigneter Extrusions- oder Spritzgießeinrichtungen geschehen kann.
  • Beim Einsatz thermoplastischer und/oder thermoelastischer Polymere ist in Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, daß die Füllstoffpartikel in ein erstes plastifiziertes thermoplastisches und/oder thermoelastisches Polymer eindispergiert werden, die derart erhaltene erste Mischung mit einem zweiten plastifizierten thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer, welches mit dem ersten Polymer nicht oder nur teilweise mischbar ist, eingemischt wird und die schließlich erhaltene Endmischung geformt und unter Bildung des Formteils abgekühlt wird. Alternativ besteht die Möglichkeit, daß ein erstes plastifiziertes thermoplastisches und/oder thermoelastisches Polymer in ein zweites plastifiziertes thermoplastisches und/oder thermoelastisches Polymer, welches mit dem ersten Polymer nicht oder nur teilweise mischbar ist, eingemischt wird, in die derart erhaltene erste Mischung die Füllstoffpartikel eindispergiert werden und die schließlich erhaltene Endmischung geformt und unter Bildung des Formteils abgekühlt wird.
  • In beiden Fällen wird aufgrund unterschiedlicher Affinität der Füllstoffpartikel zu den beiden nicht oder nur schlecht mischbaren Polymerphasen eine Anreicherung der Füllstoffpartikel an der Phasengrenze von kontinuierlicher und disperser Phase erreicht und werden im fertigen Formteil durch die Tropfenform und -größe der dispersen Phase vorgegebene Leitpfade gebildet. Die Tropfenform und -größe der dispersen Phase kann z.B. durch Eintrag von Scherkräften, Ultraschall und/oder durch Zusatz von oberflächenaktiven Substanzen, wie Detergentien, Emulgatoren, Trennmitteln oder dergleichen, bei der Verarbeitung gesteuert werden. Hierbei kann insbesondere auch eine im wesentlichen längliche bzw. ovale Fibrillenform der dispersen Phase erzeugt werden, die bei etwa paralleler Ausrichtung der Längsachse der Fibrillen für eine erhöhte Leitfähigkeit des Formteils in Längsrichtung der Fibrillen sorgt.
  • Ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes leitfähiges Formteil, insbesondere in Form einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen, weist in eine Polymermatrix eindispergierte faserförmige Füllstoffpartikel aus einem leitfähigen Material auf, wobei die Polymermatrix des Formteils zumindest bereichsweise zwischen zumindest einigen Füllstoffpartikeln pyrolysiert ist. Die faserförmigen Füllstoffpartikel vorgesehen sind im wesentlichen in Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils, insbesondere im wesentlichen flächennormal zur Platte ausgerichtet, um dem Formteil eine in dieser Richtung selektiv erhöhte Leitfähigkeit zu verleihen.
  • Ein solches Formteil zeichnet sich durch eine gegenüber herkömmlichen gattungsgemäßen Formteilen erhöhte elektrische Leitfähigkeit aus, welche durch die Kohlenstoff bzw. Ruß enthaltenden, pyrolysierten Bereiche der Polymermatrix zwischen zumindest einigen Füllstoffpartikeln und die dadurch erhaltene leitende Verbindung zwischen denselben sichergestellt ist.
  • Zur weiterhin selektiven Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit in einer gewünschten Raumrichtung des Formteils ist vorgesehen, daß die Polymermatrix vornehmlich zwischen in Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils, insbesondere im wesentlichen flächennormal der Platte, hintereinander angeordneten Füllstoffpartikeln pyrolysiert ist.
  • Das Formteil enthält vorzugsweise partikelförmige Füllstoffe aus der Gruppe Metalle, Metallegierungen, Metalloxide, Kohlenstoff, insbesondere Ruß und/oder Graphit.
  • Die Polymermatrix des Formteils kann aus einem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer oder aus einem Blend solcher Polymere, z.B. aus Polyolefinen (Polyethylen, Polypropylen etc.), Polyamiden, Polyestern, Polyethern etc., oder aus einem duroplastischen und/oder elastischen Polymer oder aus einem Blend solcher Polymere bestehen, z.B. aus Polyurethan-, Epoxy-, Melaminharzen oder dergleichen.
  • Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
    • Ausführungsbeispiel
  • Zur Herstellung einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen werden faserförmige Metallpartikel in ein flüssiges Diisocyanat eindispergiert, ein flüssiger Dialkohol zugesetzt und die flüssige Mischung in ein Formwerkzeug überführt. An das Formteil wird ein den Formraum senkrecht durchsetzendes Magnetfeld angelegt, was mittels eines in das Formwerkzeug integrierten Elektro- oder Permanentmagneten geschehen kann. Auf diese Weise werden die Fasern in Richtung der Feldlinien des Magnetfeldes im wesentlichen parallel zueinander unter Bildung von Leitpfaden ausgerichtet. Sodann wird die Mischung zu einem Polyurethan unter Bildung der Platte ausgehärtet.
  • Wie bereits erwähnt, können stattdessen die faserförmigen Füllstoffpartikel auch durch Eintrag von Scherkräften entsprechend der Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils, insbesondere flächennormal zur Platte, ausgerichtet werden.
  • Um durch teilweise Pyrolyse des Polyurethans unter Bildung von Kohlenstoff bzw. Ruß eine leitfähige Verbindung zwischen zumindest einigen Fasern sicherzustellen, wird zur Erhöhung der Leitfähigkeit die Platte mit Mikrowellen mit einer Frequenz von etwa 100 GHZ und einer Leistung zwischen 0,2 und 2 kW bestrahlt, wobei die Strahlungsrichtung im wesentlichen flächennormal zur Platte eingestellt wird. Dabei wird das Polymer zwischen zumindest einigen Füllstoffpartikeln durch Mikrowellenabsorption unter Bildung von Kohlenstoff pyrolysiert, so daß eine leitfähige Verbindung zwischen diesen Partikeln zustandekommt und die Leitfähigkeit der Bipolarplatte in Strahlungsrichtung insgesamt signifikant erhöht wird. Sofern ein für Mikrowellen durchlässiges Formwerkzeug eingesetzt wird, kann das Formwerkzeug mit der Platte in einem Mikrowellenfeld angeordnet werden. Die Bestrahlung kann während oder nach der Formgebung der Platte stattfinden.
  • Schließlich wird die fertige Bipolarplatte dem Formwerkzeug entnommen.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines leitfähigen Formteils, insbesondere einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen, aus in eine Polymermatrix eindispergierten partikelförmigen Füllstoffen aus einem leitfähigen Material, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil unter zumindest bereichsweiser Pyrolyse der Polymermatrix zwischen zumindest einigen Füllstoffpartikeln mit hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung bestrahlt und/oder mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, wobei faserförmige Füllstoffpartikel eingesetzt und in flüssigen oder gelösten Mono-, Di- und/oder Oligomeren oder in plastifizierten thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymeren mit ihrer Längsachse im wesentlichen in Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils ausgerichtet werden, um dem Formteil eine in dieser Richtung selektiv erhöhte Leitfähigkeit zu verleihen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hochfrequente elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz zwischen 300 MHz und 300 GHz eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung derart gewählt wird, daß sich eine Stromstärke zwischen 1 A und 100 A, insbesondere zwischen 5 A und 30 A einstellt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil während der Einwirkung der hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung und/oder der elektrischen Spannung unter Druck gesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequente elektromagnetische Strahlung und/oder die elektrische Spannung entsprechend der Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils, insbesondere flächennormal zur Platte, ausgerichtet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffpartikel aus der Gruppe Metalle, Metallegierungen, Metalloxide, Kohlenstoff, insbesondere Graphit und/oder Ruß, gewählt werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffpartikel in wenigstens ein flüssiges oder gelöstes Mono-, Di- und/oder Oligomer eindispergiert werden und die derart erhaltene Mischung in einem Formwerkzeug unter Bildung des Formteils ausgehärtet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffpartikel in wenigstens ein plastifiziertes thermoplastisches und/oder thermoelastisches Polymer eindispergiert werden und die derart erhaltene Mischung geformt und unter Bildung des Formteils abgekühlt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der faserförmigen Füllstoffpartikel derart geschieht, indem faserförmige, ferromagnetische Füllstoffpartikel eingesetzt und in der noch flüssigen oder plastifizierten Mischung durch Anlegen eines Magnetfeldes entsprechend der Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils, insbesondere flächennormal zur Platte, ausgerichtet werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der faserförmigen Füllstoffpartikel derart geschieht, indem die Füllstoffpartikel in der noch flüssigen oder plastifizierten Mischung durch Eintrag von Scherkräften entsprechend der Richtung der bevorzugten Leitfähigkeit des Formteils, insbesondere flächennormal zur Platte, ausgerichtet werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffpartikel in ein erstes plastifiziertes thermoplastisches und/oder thermoelastisches Polymer eindispergiert werden, die derart erhaltene erste Mischung mit einem zweiten plastifizierten thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer, welches mit dem ersten Polymer nicht oder nur teilweise mischbar ist, eingemischt wird und die schließlich erhaltene zweite Mischung geformt und unter Bildung des Formteils abgekühlt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes plastifiziertes thermoplastisches und/oder thermoelastisches Polymer in ein zweites plastifiziertes thermoplastisches und/oder thermoelastisches Polymer, welches mit dem ersten Polymer nicht oder nur teilweise mischbar ist, eingemischt wird, in die derart erhaltene erste Mischung die Füllstoffpartikel eindispergiert werden und die schließlich erhaltene Endmischung geformt und unter Bildung des Formteils abgekühlt wird.
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